Спорово-пыльцевой анализ: история становления
Сания Сафарова,
кандидат биологических наук,
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН (Москва)
«Природа» №6, 2014
Человечество всегда стремилось подчинить себе время и пространство. Людям XXI столетия подвластны колоссальные расстояния: они вышли в космические просторы. Труднее победить время. О такой победе человек мечтает с глубокой древности. Но пока машины времени не существует, и мы не можем вернуться в прошлое и узнать, что было на Земле тысячи и миллионы лет назад.
Идеи об истории развития Земли возникали уже в Средние века. Арабский писатель Магомед Кацвини, живший в XIII в., в своем сочинении «Чудеса природы» приводит вымышленную и аллегорическую историю путешественника Кидца.
«Однажды я проходил по улицам весьма древнего и удивительно многолюдного города и спросил одного из жителей, когда он основан.
— Действительно, это великий город, — отвечал горожанин, — но мы не знаем, с какой поры он существует.
Пятьсот лет спустя я снова проходил по тому же самому месту и не заметил ни малейших следов населения; я спросил крестьянина, косившего траву на месте прежней столицы, давно ли она разрушена.
— Странный вопрос! — отвечал он. — Эта земля никогда ничем не отличалась от того, какой ты теперь ее видишь!
— Но разве прежде не было здесь богатого города?
— Никогда, — отвечали мне, — по крайней мере мы никогда его не видели, да и отцы наши нам ничего об этом не говорили.
Возвратившись еще через пятьсот лет, путешественник нашел на том же месте море, а на берегу его толпу рыбаков, которые на вопрос, давно ли земля эта покрылась водой, отвечали, что это место всегда было таким же, как теперь...».
Все грандиознейшие физико-географические изменения нашей планеты совершались и теперь совершаются с удивительной постепенностью и медленностью. К сожалению, природа человека и продолжительность его жизни таковы, что в большинстве случаев мы не замечаем самих процессов, а удивляемся только результатам, часто приписывая их случайности и различного рода катастрофам.
Летопись нашей планеты нам помогают читать геологи: они нередко обнаруживают в кусках породы окаменевшие раковины, кости животных, отпечатки листьев и куски древесины. Изучение истории Земли, основанное на подобных фактах, началось довольно поздно. Первое упоминание об ископаемых остатках растений принадлежит греческому философу Ксенофану (VI–V вв. до н. э.), который сообщал о «лавровых листьях», заключенных в горных породах о. Парос. Таджикский ученый Ибн-Сина (Авиценна), живший в конце X — начале XI в., приписывал происхождение окаменелостей особой «камнетворной силе», рождающей в недрах земли формы, соответствующие растениям и животным. Современники же Авиценны объясняли эти факты «игрой природы». Только в конце XV в. Леонардо да Винчи впервые высказал мысль, что окаменелости — это остатки когда-то произраставших растений.
Во времена Петра I в Сибири, на территории Красноярского края, были найдены куски дерева, а также «лиственничный окаменелый уголь».
В 1793 г. русский академик П. С. Паллас сообщил об ископаемых находках дерева недалеко от Красноярска у дер. Кубековой и древесных стволов, превратившихся в железняк, у дер. Рыбинской. В том же году Паллас описал отпечатки листьев, найденных в третичных отложениях Камчатки.
К сожалению, только небольшая часть остатков растений доходит до нас в достаточно хорошем состоянии, позволяющем определить их вид. Обнаруживаемые в толщах геологических отложений, они подобны очень древней книге. Некоторые из ее страниц сохранились относительно хорошо и понятны для чтения: на них видны и печатные буквы, и рисунки; на других печать уже стерлась, и общий смысл написанного приходится восстанавливать с трудом по отдельным фразам, а нередко и по отдельным словам.
Известно, что в наши дни специалисты-реставраторы, вооруженные новейшими научными средствами, выявляют первоначальные тексты совершенно испорченных рукописей. Так же обстоит дело и с «книгой природы»: навсегда, казалось бы, исчезнувшие «буквы» геологической летописи можно восстановить. Здесь на помощь приходят все более совершенные приборы и методы. Используя микроскоп, ученые обнаружили, что в отложениях прошлых эпох растения оставляют не только видимые невооруженным глазом остатки листьев и стеблей, но и массу мельчайших спор и пыльцы. Эти микроскопические ископаемые сохраняются лучше, чем крупные части растения. Изучением таких растительных остатков и занимается палинология (спорово-пыльцевой анализ).
Бродя по лесам и лугам в бурную пору цветения, нетрудно обратить внимание на лужи, подернутые бледновато-желтой пленкой, и на то, как во время порыва ветра над полем поднимается зеленоватая дымка. Это растительный мир рассеивает пыльцу — зачатки будущей жизни.
Пыльца подсолнечника однолетнего (Helianthus annuus), ипомеи пурпурной (Ipomoea purpurea), сидальцеи мальвоцветковой (Sidalcea malviflora), лилии золотистой (Lilium auratum), энотеры кустарниковой (Oenothera fruticosa) и клещевины обыкновенной (Ricinus communis). Увел. 500 раз. Фото: commons.wikimedia.org
Способность растений в громадном количестве производить споры и пыльцу поистине изумительна. Одно соцветие дуба дает за лето 500 тыс. пылинок, соцветие щавеля — до 4 млн, соцветие сосны — около 6 млн. Однако для оплодотворения служит только ничтожная их часть. Остальное рассеивается в воздухе, разносится ветром и в дальнейшем оседает на почву, поверхность озер, болот и морей.
Огромные пыльцевые облака могут накрывать целые города. Масштабы, в которых происходит разнос пыльцы, показывает, в частности, такой пример. В 1954 г. жители американского города Давенпорта были свидетелями удивительного явления: над городом прошел дождь голубого цвета. Когда он закончился, всюду остались его следы — голубоватые пятна. Причина этого загадочного явления выяснилась неожиданно просто: в такой цвет дождевую воду окрасила пыльца американского тополя, поднятая в воздух сильным ветром и смешавшаяся с каплями дождя.
А вот другой случай, произошедший недавно, в 2009 г., в Чите. Грянул гром, и вместе с дождем на землю хлынули желтые и зеленые потоки. Синоптики объяснили это необычное явление тем, что с приходом тепла повсеместно и буйно зацвели деревья, кустарники и луговые травы. Сильный ветер поднял пыльцу в воздух, и она выпала на город вместе с дождем. Пыльцевые облака часто накрывают и Москву, придавая небу над городом весьма необычные оттенки.
«Зеленые облака» над Москвой в апреле 2012 г. Фото М. С. Силина
Возможность изучать пыльцу растений появилась только в 1675 г., после того как Антони Левенгук изобрел микроскоп. С этого времени перед учеными открылся мир, полный чудес, невидимых простым глазом. Усовершенствование микроскопа позволило человеку понять, что все окружающее ранее познавалось им неполно. Он увидел, что наряду с нашим миром обычных представлений существует другой мир — мир микромасштабов. Позднейшие исследования показали, что растения прошлых эпох имеют в этом мире своих «полномочных представителей». Упав на землю или на дно водоемов, пыльца и споры постепенно покрываются наслоениями пыли, ила, торфа, песка или глины и сохраняются в этих толщах тысячи и миллионы лет.
С появлением микроскопа ботаники начали изучать морфологию пыльцевых зерен с целью понять, как у растений происходит оплодотворение. Судьбой пыльцы, которая рассеялась и погибла, тогда не интересовались. Поэтому работы по морфологии пыльцы, которые продолжались в XVIII и XIX вв., не выходили за рамки чисто ботанических исследований.
Первые находки цветочной пыльцы в ископаемом состоянии имеют более чем столетнюю давность (1854) и принадлежат немецкому ученому К. Эренбергу. Примерно в то же время его соотечественник М. И. Шульце сумел выделить споры из каменного угля с помощью специальной обработки (мацерации).
К более или менее обстоятельному изучению ископаемых пыльцевых зерен приступил швейцарский геолог Д. Фрю. Результаты его работ были опубликованы в 1885 г. в статье «Критические замечания к познанию торфа» [1].
В 1888 г., исследуя осадки озер Швеции, зоолог Ф. Трибом отметил в них обильное присутствие пыльцы сосны и ели. Регулярность этих находок привела его к выводу, что пыльцу и споры необходимо принимать во внимание наряду с прочими руководящими палеонтологическими остатками.
Ботаническое определение ископаемой пыльцы с указанием количественного соотношения видов сделал немецкий ученый К. Вебер в 1896 г. [2].
Все эти работы подготовили переход к систематическому изучению спор и пыльцы в геологических отложениях и положили начало зарождению новых научных методов исследований — спорово-пыльцевого анализа и палеопалиноморфологии. Наибольший вклад в становление этих научных дисциплин внесли ученые России и Швеции.
Методика спорово-пыльцевого анализа была разработана в Швеции трудами Н. Г. Лагерхейма [3] и его последователя Леннарта фон Поста. Работы этих двух крупных ученых удачно дополняли друг друга. Лагерхейм — разносторонний исследователь, увлекавшийся ботаникой, — хорошо знал растительный мир всех природных зон от северных лесов и тундр Скандинавии до влажных гилей Южной Америки. Геолог фон Пост придерживался строгой систематичности в работе и всегда доводил ее до полного завершения. Оба ученых были представителями шведского правящего класса, однако блестящей карьере высоких правительственных чиновников предпочли малопонятные для окружающих научные занятия.
Окончив Упсальский университет и высшую школу в Стокгольме, Лагерхейм начал изучать бактериологию в Берлине под руководством немецкого микробиолога Роберта Коха. Год, проведенный в его лаборатории, в значительной степени повлиял на дальнейший научный путь шведского ученого. Лагерхейм занимался исследованием пресноводных водорослей, ржавчинных и головневых грибов, лишайников, систематикой растений, различными вопросами ботанической техники. Однако в историю науки он вошел главным образом как один из основоположников спорово-пыльцевого анализа.
Лагерхейм одним из первых начал экспериментальным путем приводить пыльцу живых растений в «ископаемое» состояние, т. е. придавать ей тот вид, какой пыльца приобретает в естественных условиях, находясь много лет в слоях торфа, ила и т. п. По внешнему виду «живая» пыльца нисколько не похожа на ископаемую, поэтому благодаря работам Лагерхейма и других авторов ученые смогли перейти к составлению надежных определителей.
В отличие от Лагерхейма, стремившегося охватить большой круг вопросов, продолжатель его работ по пыльцевому анализу фон Пост посвятил свою жизнь изучению четвертичного периода Швеции. Такой выбор становится понятным из-за огромной роли великих плейстоценовых оледенений в геологической истории его родины: именно на севере страны находился центр, из которого начиналось развитие покровных ледников, наступивших впоследствии на большую часть Европы.
Находки ископаемых спор и пыльцы в торфяных отложениях помогли фон Посту понять характер климатических изменений, связанных с четвертичными оледенениями. Изучая отложения ледниковых и межледниковых эпох, ученый установил 11 фаз эволюции лесов и климата. Кроме того, фон Пост значительно усовершенствовал методику спорово-пыльцевого анализа — от способов обработки образцов до приемов составления пыльцевых диаграмм. Кроме того, он убедительно доказал, что метод спорово-пыльцевого анализа может быть использован для выяснения различных вопросов четвертичной геологии и палеогеографии.
Академик В. Н. Сукачев (1880–1967)
Основоположником спорово-пыльцевого анализа в России стал академик В. Н. Сукачев. Еще в 1903 г., будучи ассистентом кафедры ботаники Санкт-Петербургского лесного института, он обратился к изучению ископаемых спор и пыльцы в торфяниках. Проводя исследования болот и озер в районе г. Бологое, Сукачев нашел в торфе и сапропелях пыльцу ели, сосны, березы, ивы, споры плаунов и различных папоротников, а также попытался установить количественное соотношение видов ископаемых растений. На основании данных пыльцевого анализа Сукачев пришел к выводу, что сосна и ель произрастают в этой местности уже длительное время. Результаты его исследований были опубликованы в 1906 г. [4] и стали основой развития палинологии в нашей стране.
Круг интересов молодого ученого расширялся, охватывал новые области ботанической географии, фитоценологии и лесоводства. В 1911 г. Сукачев провел ботаническое исследование растительных остатков пищи из желудка мамонта, найденного на р. Березовке в Якутии [5]. В этой работе, которая в свое время произвела сенсацию в научных кругах, были впервые за все время изучения сибирских мамонтов опубликованы уникальные сведения о растениях, которыми питались эти животные, и сделана попытка реконструировать условия их обитания. Выводы Сукачева получили дополнительное подтверждение в 1954 г., когда Б. А. Тихомиров и Л. А. Куприянова выполнили спорово-пыльцевой анализ образца содержимого желудка того же березовского мамонта [6].
В 1939 г. Сукачев впервые нашел ископаемую пыльцу древесных пород в лессе и лессовидных суглинках. Позднее ученый сосредоточивает свое внимание на исследовании пыльцы в озерных отложениях и разрабатывает так называемый комплексный метод изучения сапропелей, благодаря которому появилась возможность получить чрезвычайно интересные сведения о четвертичной истории растительности Среднего и Южного Урала.
Многие другие научные проблемы, которыми также занимался Сукачев, не позволяли ему посвящать много времени спорово-пыльцевому анализу, но он тем не менее многократно возвращался к этим вопросам. Дальнейшее развитие палинологии в трудах Сукачева сделало его одним из ведущих специалистов в вопросах определения возраста четвертичных отложений и реконструкции ландшафтов плейстоцена.
Примерно в одно время с фон Постом и Сукачевым в России работал В. С. Доктуровский — крупнейший палеоботаник и болотовед. Изучая болота и торфы, он использовал пыльцу как палеофлористический показатель. В частности, Доктуровский пришел к выводу, что ель в России появилась значительно раньше, чем в Скандинавии. В 1915 г. он впервые в России приступил к цифровому количественному учету пыльцевых зерен в торфе. Этот цикл исследований был завершен выходом в 1923 г. обобщающего руководства «Метод анализа пыльцы в торфе» [7]. В том же году Доктуровский совместно с В. В. Кудряшовым опубликовал первый в мире определитель пыльцы [8], который был немедленно переведен в Германии на немецкий язык.
Доктуровский внес значительный вклад в изучение межледниковых отложений. Он впервые применил метод спорово-пыльцевого анализа в археологических исследованиях, а в последующие годы приложил много сил для популяризации этого метода в нашей стране. Роль Доктуровского была тем более значительна, что он руководил изучением торфяных месторождений во многих природных зонах страны в связи с работами по осуществлению плана ГОЭЛРО. Ученый также представлял Советский Союз на многих международных конгрессах. За большие заслуги перед советской наукой в 1924 г. Доктуровский был награжден золотой медалью Российского географического общества.
Идеи применения пыльцевого анализа в геологии нашли дальнейшее развитие в работах К. К. Маркова, И. П. Герасимова, Б. М. Даньшина и других ученых.
Новое направление в развитии спорово-пыльцевого анализа в нашей стране было положено работами С. Н. Наумовой (1939, 1949, 1957), А. А. Любер и И. Э. Вальц (1938), а также Н. А. Болховитиной (1952), применившими этот метод для изучения мезозойских и палеозойских отложений. В дальнейшем анализ стал применяться и для изучения протерозойских пород. Эти работы имели большое теоретическое значение, а также получили широкое практическое применение при корреляции угольных пластов, а также при стратиграфическом расчленении протерозойских и нижнекембрийских отложений, крайне бедных руководящими ископаемыми.
С конца 1930-х годов начался новый этап в развитии спорово-пыльцевого анализа. Он был связан с новым сепарационным методом обогащения исходных проб пыльцой и спорами, разработанным В. П. Гричуком [9]. Эта методика значительно расширила возможности применения спорово-пыльцевого анализа, позволив использовать его не только для изучения торфяников и озерных осадков, но и для исследования минеральных осадочных пород. В настоящее время метод Гричука применяется во всех палинологических лабораториях как в России, так и за рубежом.
Со временем в нашей стране появилось множество специалистов-палинологов. Лаборатории спорово-пыльцевого анализа имеются в ботанических, геологических, географических, нефтяных и многих других научно-исследовательских учреждениях и производственных организациях. Это потребовало создания специальных пособий, руководств, систематических справочников и определителей для подготовки и целенаправленной работы растущего числа палинологов. Крупным событием в отечественной истории пыльцевого анализа стало появление двух первых капитальных руководств: в 1948 г. был издан «Анализ ископаемых пыльцы и спор и его применение в палеогеографии» В. П. Гричука и Е. Д. Заклинской [10], а затем — «Пыльцевой анализ» [11], созданный большим коллективом исследователей. Составителей этой книги наградили Государственной премией, а саму ее перевели на французский и многие другие языки.
Сейчас спорово-пыльцевой анализ применяется при изучении отложений всех геологических периодов. Особенно велико его значение при стратиграфии и корреляции морских и континентальных отложений, где споры и пыльца зачастую служат единственным видом руководящих ископаемых.
Литература
1. Fruh J. Kritische Beitrage zur Kenntniss des Torfes // Jahrbuch der K. K. Geologischen Reichsanstalt. 1885. Bd. 35. P. 677–726.
2. Weber C. A. Uber die fossile Flora von Honerdingen und das nordwestdeutsche Diluvium // Abb. Naturw. Ver. Bremen. 1896. Bd. 13. P. 413–468.
3. Lagerheim G. Metoder for pollenundersokning // Bot. Notiser. 1902. P. 75–78.
4. Сукачев В. Н. Материалы по изучению болот и торфяников озерной области // Труды пресн. биол. ст. Имп. СПб об-ва естествоисп. Т. II. СПб., 1906.
5. Сукачев В. Н. Некоторые данные доледниковой флоры севера Сибири // Труды геол. музея им. Петра Великого АН. 1911. Т. 4. Вып. 4.
6. Тихомиров Б. А., Куприянова Л. А. Исследования пыльцы из растительных остатков пищи Березовского мамонта // Доклады АН СССР, Новая серия. 1954. Т. 55. № 6. С. 1313–1315.
7. Доктуровский В. С. Метод анализа пыльцы в торфе // Изв. научно-эксперимент. торфяного ин-та. 1923. № 5. С. 5–24.
8. Доктуровский В. С., Кудряшов В. В. Пыльца в торфе // Изв. научно-эксперимент. торфяного ин-та. 1923. № 5. С. 33–44.
9. Гричук В. П. Новый метод обработки осадочных пород для целей пыльцевого анализа // Труды Советской секции Международной ассоциации по изучению четвертичного периода. 1937. Вып. 3. С. 159–165.
10. Гричук В. П., Заклинская Е. Д. Анализ ископаемых пыльцы и спор и его применение в палеогеографии. М., 1948.
11. Пыльцевой анализ / Под ред. И. М. Покровской. М., 1950.
Отпечатки листьев голосеменных растений, сохранившиеся с мезозоя. Фото: paleostratmuseum.ru